Sistema de almacenamiento de aire frío para uso en centrales térmicas que necesiten aire,

particularmente para la combustión, constituido por un compresor (12) de aire que funciona nocturnamente, y que inyecta el aire comprimido en el primario de un intercambiador (24), en el que se enfría por la acción del propio aire nocturno, que fluye por el secundario del intercambiador (24); siendo inyectado el aire comprimido frío en un depósito o tanque (17), desde el cual se puede descargar el aire almacenado cuando la temperatura del aire ambiental suba por encima de un punto de consigna, inyectándose el aire descargado en el compresor (4) del ciclo termodinámico de la central, lo que mejora ostensiblemente las prestaciones de éste

Sistema de almacenamiento de aire frío para uso en centrales térmicas.

Sector de la técnica

La invención se relaciona con el campo de los sistemas de almacenamiento energético, y entre ellos los que usan aire comprimido con objeto de tener altos valores de energía almacenados por unidad de volumen, y de energía total almacenada también.

Más concretamente, el objetivo de este almacenamiento es satisfacer la necesidad de aire frío y denso que tienen algunos ciclos termodinámicos, como el Joule-Brayton abierto, para obtener altos rendimientos. Ello proviene de que el aire debe ser comprimido antes de ser inyectado en la cámara de combustión, y los resultados de esa compresión son peores cuanto más caliente es el aire de entrada, para una presión atmosférica dada. Eso significa que las centrales térmicas dedicadas a la generación de electricidad mediante un ciclo termodinámico que requiere aire para su funcionamiento, particularmente como comburente de la combustión de un combustible, como puede ser en particular un ciclo Joule-Brayton abierto, pierden rendimiento y potencia neta en condiciones diurnas de operación, que es cuando la demanda de electricidad es mayor.

La invención utiliza el hecho físico de que por la noche la temperatura ambiental es menor que por el día, y el aire más frío; y además hay muy baja demanda de electricidad, e incluso excedentes de ésta, y por tanto existe una mayor facilidad para refrigerar una determinada sustancia, usando precisamente el aire frío ambiental como fluido refrigerador, y las bombas, ventiladores o compresores que hagan falta, activados por electricidad de bajo precio.

Antecedentes de la invención

Las propuestas existentes sobre almacenamiento de aire comprimido se basan generalmente, por no decir exclusivamente, en llegar a muy altas presiones, del orden de 100 bar o por encima de ese valor; para aprovechar la exergía de la presión en los momentos en los que se demanda energía, y se extrae del almacenamiento.

Por el contrario, en las cámaras de combustión de los ciclos tipo Joule-Brayton, la presión es del orden de 50 bar, e incluso menor, y esta presión se obtiene merced al compresor que se acciona, directa o indirectamente, con el mismo eje que el de la turbina de gas de la central. El valor nominal de la presión en la cámara de combustión es el que determina las condiciones finales en las que se encuentra el aire que entra allí comprimido, y las leyes elementales de la compresión adiabática (pues la compresión se realiza rápidamente, y no tiene tiempo de intercambiar calor con el entorno) indican que cuanto más caliente esté el aire de entrada, para una presión dada, menor es la densidad del aire comprimido, y menor por tanto la densidad de potencia de la cámara de combustión, lo que baja la potencia del sistema y su rendimiento. Por el contrario, si el aire entra frío y a una presión relativamente elevada, la densidad del aire comprimido aumenta, y el trabajo consumido por la compresión disminuye, por lo cual la potencia neta aumenta. De ahí el interés en almacenar aire frío, comprimido ligeramente, durante la noche, para usarlo al día siguiente, en los momentos de temperatura más alta de aire diurno, o cuando la demanda sea más intensa (por ejemplo, al mediodía en verano).

En cuanto a antecedentes sobre el uso de la variación cíclica de la temperatura del aire, hay que señalar la patente ES 2 334 758 B2, "Sistema de refrigeración de centrales térmicas", cuyo primer inventor es el primer solicitante de esta solicitud, y que consiste en abordar un problema relativamente similar al de esta invención, pero radicalmente distinto, pues se refiere al sistema de refrigeración del foco frío del ciclo termodinámico, sea un condensador o una caldera de recuperación de calor, o cualquier otro dispositivo.

La invención de la patente ES 2 334 758 B2 consiste en un montaje y modo de funcionamiento en los cuales se refrigera la central durante su funcionamiento diurno con condiciones que sean cercanas a la temperatura nocturna, mediante un sistema de enfriamiento del foco frío de la central con un circuito cerrado de líquido, habiéndose enfriado dicho líquido durante la noche.

El problema abordado en esta invención es distinto, dado que el material a enfriar es el aire que se inyecta en la instalación, y lo que se ha de almacenar es el propio aire, en las mejores condiciones posibles para alimentar el ciclo al día siguiente; de modo que los elementos constructivos de esta invención son sustancialmente diferentes de los exigidos para crear un foco frío de refrigeración, aprovechando también la variación cíclica diaria de la temperatura ambiente.

Descripción de la invención

La invención consiste en un equipo de compresión que trabaja nocturnamente, seguido de un enfriamiento de ese aire comprimido usando el propio aire nocturno como fluido frío, siendo almacenado el aire comprimido así enfriado en un depósito, tanque o almacén; desde el cual es inyectado en el componente adecuado de la central, típicamente el compresor del ciclo, cuando se requiera en un momento posterior, generalmente porque el aire atmosférico está a temperatura relativamente alta.

La invención está conformada por:

- Un compresor de aire, de características moderadas en cuanto a potencia y relación de compresión, respecto de lo que nominalmente puede dar el compresor de la central; por lo que en general este compresor será distinto del de la central, pues además cabe prever que se tenga que activar el sistema de la invención para almacenar aire frío, y esté funcionando la central; si bien lo habitual es que por la noche la central no funcione, por baja demanda de electricidad, y precisamente se use la electricidad excedente para activar el compresor del sistema.

- Un intercambiador de calor aire-aire, cuyo circuito primario está a presión, y por cuyo interior circula el aire comprimido, estando el circuito secundario del intercambiador a presión atmosférica, y circulando por él el aire atmosférico; inyectándose el aire emergente del intercambiador desde el circuito primario, en el depósito, tanque o almacén de aire comprimido frío; contando este intercambiador con un circulador (generalmente un ventilador o batería de ventiladores) que hace fluir aire atmosférico por el circuito secundario.

- Un depósito, tanque o almacén, cuya carga de aire comprimido frío se realiza desde la salida del circuito primario del intercambiador, y cuya descarga se inyecta en el colector de admisión del componente adecuado de la central, típicamente el compresor; existiendo una válvula reguladora de presión en la boca de carga, además de una válvula de apertura/cierre; y existiendo análogamente otra válvula reguladora de presión y otra válvula de apertura/cierre en la boca de descarga,

- Una válvula separadora/mezcladora en la entrada del colector de admisión del componente adecuado de la central, con dos posibles flujos de alimentación, que pueden mezclarse, si ambos sectores de la válvula están parcialmente abiertos, o pueden quedar totalmente separados, por estar cerrado uno de los sectores; estando dichos sectores de la válvula conectados al:

1. Sistema de almacenamiento de aire frío para uso en centrales térmicas, que se aplica a una central térmica con un ciclo termodinámico que requiera aire de densidad relativamente alta y temperatura relativamente baja, como puede ser particularmente un ciclo Brayton abierto, caracterizado por que el sistema en su conjunto está constituido por un equipo de compresión que trabaja nocturnamente, seguido de un enfriamiento de ese aire comprimido usando el propio aire nocturno como fluido frío, siendo almacenado el aire comprimido así enfriado en un depósito, tanque o almacén (17); desde el cual es inyectado en el componente adecuado de la central, típicamente el compresor (4) del ciclo, cuando se requiera en un momento posterior, generalmente porque el aire atmosférico está a temperatura relativamente alta; estando el sistema conformado por: